표준과학연, 열 대신 빛으로 유해가스 골라잡는 차세대 센서 개발

- 저렴한 LED 빛 이용해 유해가스 종류별로 구분하는 ‘전자 코’ 센서 기술 개발 

- 저전력 고효율 센서로 산업 현장과 일상 속 가스 안전성 높인다

LED 기반 다종 식별 가스 센서 연구진. 앞줄 좌측부터 시계방향으로 KRISS 권지환 첨단소재측정그룹장, 전종철 기술원, 권기창 책임연구원, 서울대학교 남기백 박사과정생. (자료제공: KRISS)

KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서. (자료제공: KRISS)

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 저렴하고 안전한 LED 빛을 활용해 여러 종류의 유해가스를 정밀하게 식별할 수 있는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다고 2월 11일 밝혔다. 

이번 기술은 고온에서 작동하는 기존 센서보다 전력 소모가 적어 경제적일 뿐만 아니라, 뛰어난 범용성을 갖춰 산업 현장과 실생활 전반의 가스 안전성을 한 단계 높일 것으로 기대된다.

현재 산업 현장에서 주로 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와의 반응성을 높이기 위해 200~400 ℃의 고온 상태를 유지해야 하는 ‘고온 동작 방식’이다. 이 방식은 센서마다 마이크로 히터를 부착해 장치를 상시 가열해야 하므로 전력 소모가 크고, 반복되는 고열 노출로 인해 소재가 빠르게 마모되는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 히터 대신 자외선이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스 센서가 제안됐지만, 안전성과 성능 문제로 상용화에 한계를 겪어 왔다. 자외선 방식은 가스 반응성은 좋지만 인체 노출 시 피부 손상 위험이 있고, 가시광선 LED 방식은 안전하지만 가스 분자와의 반응성이 약해 이산화질소 외의 가스를 감지하기 어려웠기 때문이다.

KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서 모식도. (자료제공: KRISS)

KRISS 첨단소재측정그룹 권기창 책임연구원과 서울대학교 남기백 박사과정생은 인듐옥사이드(In₂O₃) 위에 인듐설파이드(In₂S₃)를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스 센서의 성능을 획기적으로 개선했다. 

연구진이 개발한 ‘Type-I 이종접합’ 형태의 나노 구조는 빛을 받았을 때 생기는 전하가 밖으로 흩어지지 않고, 반응이 일어나는 표면으로 모아주는 ‘에너지 우물’ 역할을 한다. 이를 통해 광에너지 효율을 극대화함으로써 별도의 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스 분자와 즉각적으로 반응할 수 있는 감지 구조를 만들었다.

연구진은 개발한 이종접합 구조 위에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 나노 입자를 입힌 센서를 배열해 ‘전자 코(E-nose)’ 기능을 구현했다. 각 귀금속 촉매가 특정 가스에만 민감하게 반응하도록 설계해 마치 사람의 코처럼 여러 가스가 뒤섞인 환경에서도 유해가스인 수소와 암모니아, 에탄올을 명확히 구별해낼 수 있다.

성능 실험 결과, 개발 센서의 검출 한계(LOD)는 201.03 ppt(Parts Per Trillion, 1조 분의 1) 수준으로 기존 LED 방식의 센서보다 감도가 약 56배 향상됐다. 또한 습도가 80%인 환경에서도 안정적으로 작동하고 300일 이상의 장기 평가에도 초기 성능을 유지하는 등 내구성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

과학기술정보통신부 나노·소재기술개발 사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노·센서 분야 학술지인 ‘Small’에 지난 12월 게재됐다

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]